标签: 音视频桥接

背景介绍 AVB（Audio Video Bridging）音视频桥接，是由IEEE 802.1标准委员会的IEEE AVB任务组制定的一组技术标准，包括精确时钟同步、带宽预留和流量调度等协议规范，用于构建一个低延迟、高可靠的车载以太网网络。 2012年11月，AVB任务组变更为“TSN（Time-Sensitive Networking）——时间敏感网络”任务组。TSN在AVB的基础上进一步延伸，从专业音视频领域扩展到工业自动化、移动通讯、汽车等领域。因此掌握AVB协议，可为理解TSN协议打好基础。图1为TSN对AVB的继承和扩展。 图 1 AVB和TSN协议对比 AVB /TSN 协议 标准 AVB包括多个不同的协议，在具体应用时可根据实际情况进行裁剪和选择，取决于功能场景的需求及开发难度（注：实现整个AVB协议族的开发难度很大）。 图2 IEEE 802.1 协议标准 为了便于音视频数据的可互操作性，在AVB核心标准基础上，IEEE定义了1722和1733（时间敏感应用传输协议）用于传输音视频数据，满足Talker和Listener之间实时的、高质量的音视频数据传输要求。为保证AVB节点之间的互操作性，IEEE定义了一个应用层协议1722.1，用于满足1722终端设备之间的发现、枚举、连接管理和控制。 图3 IEEE 1722/1733协议标准 AVnu 车载 以太网 AVB功能和 互 操作性 规范 为将AVB协议应用于车载设备，AVnu联盟发布车载以太网AVB功能性和互操作性基础规范——“AVB汽车配置文件”，定义AVB在汽车信息娱乐系统和前视、后视等辅助摄像系统中的应用场景。 AVnu互操作性规范对车载AVB设备以及汽车特定的应用场景做如下约定： 网络和设备启动 -端口自协商应被禁止 -为了获取AVB设备的内部状态，定义三种车载AVB设备状态：Ethernet_Ready、AVB_Sync和AVB_Media_Ready。通过状态报文获取每种状态的信息，其中状态报文必须携带进入该状态的时间戳 -为了约束车辆启动时设备的启动时间，定义车载以太网网络的最大启动时间，以及进入三种状态的最大时间要求 gPTP -预先配置车载网络中GM（Grandmaster）节点，无需使用BMCA（最佳主时钟算法） -GM节点启动后应尽可能快的发送同步报文 -固定的时钟生成树，Bridge节点的master端口不需要测量路径对等延时 -定义Bridge节点对同步报文丢失、不连续、同步恢复等异常情况的处理 媒体格式 -减少需要支持的音视频格式，仅定义AVTP音频格式（AAF）、压缩视频格式（H.264、MJPEG）、非压缩视频格式（MPEG2-TS）和时钟参考格式（CRF）相关需求 流预留类别 -静态配置所有AVB流预留 -对于汽车特定的应用，除了支持标准的SR A和SR B类流，衍生出两个优化的流类，其发送时间间隔为：1333.33µs（64Sample/Frame，48kHz）和1451.25µs（64Sample/Frame，44.1kHz） 异常处理和诊断 -定义需要监控并报告的异常处理：以太网链路状态事件和数据丢失，IEEE 802.1AS异常处理，以及IEEE 1722媒体流异常处理 -定义一些主要的诊断事件计数，包括以太网接口、以太网桥接、AVB协议，以及IEEE 1722传输 AVnu 车载 以太网 AVB测试认证 为确保AVB设备之间的互操作性，AVnu联盟为汽车行业制定了车载AVB部件级一致性测试计划，用于验证AVB协议标准以及AVnu车载AVB互操作性规范中定义的特殊要求。 图4 汽车行业 车载AVB部件级一致性测试计划与 对应的 IEEE标准 Automotive gPTP -用于验证IEEE 802.1AS-2011标准实现于车载AVB设备的gPTP协议一致性测试，主要包括以下内容： -gPTP参数和配置测试 -基于IEEE 802.1AS标准定义的gPTP协议状态机测试 -gPTP-Bridge特定测试三部分 Automotive EndStation -用于验证IEEE P1722/D16-2015标准实现于车载AVB设备的AVTP协议一致性测试，主要包括以下内容： -AVTP通用需求测试 -MPEG-TS和61883-4视频格式测试 -AVTP音频格式测试 -MJPEG和H.264压缩视频格式测试 -音频时钟参考格式测试 -流预留类测试 Automotive Bridge FQTSS and SR Classes -用于验证IEEE 802.1Qav-2009标准实现于车载AVB Bridge的FQTSS协议一致性测试，主要包括以下内容： -端口数据转发测试 -基于信用的整形算法验证测试 -Bridge端口优先级重映射测试 车载AVB协议一致性 测试 实践 AVB协议配置测试 由于车内采用静态网络拓扑，所有AVB流预留采用静态配置，因此AVnu并未针对汽车AVB设备发布SRP协议一致性测试规范。所以针对OEM/Tier1自定义需求，需对基本的配置和协议参数进行测试验证。 我们通过德国Vector公司的VN5640硬件与被测对象相连接，利用CANoe 12.0+Option Ethernet软件对AVB数据进行实时采集和监控。CANoe可解析gPTP和AVTP的报文头格式，以检测被测对象发送的报文是否符合需求定义。 测试结果分析 如图5所示，选中Trace窗口中的Follow_up帧，左侧窗口会显示该报文数据的解析内容： 目标MAC地址为01:80:C2:00:00:0E，符合802.1AS需求定义 Log Message Interval的值为-3，表示Sync和Follow_Up报文的发送周期为2-3=125ms，符合此次需求定义 Precise Origin Timestamp为Sync报文离开以太网收发器的时间戳，可解析为UTC时间格式显示 图 5 gPTP报文解析图 如图6所示，选中Trace窗口中的AVTP帧，左侧窗口显示该报文数据的解析内容： 目标MAC地址为91:E0:F0:00:FE:01，符合MAAP需求定义 Stream ID为MAC ID + Unique ID，符合此次需求定义 该音频数据的信息为：44.1kHz采样率，双声道，16位深度，每帧采样样本为64个样本（AVTP的报文周期为1,451µs） 图 6 AVTP 报文解析图 AVnu AVB节点的协议一致性测试 在一个gPTP域里，存在End Station和Bridge两种节点类型，同时End Station又分为GM节点和非GM节点。我们采用思博伦的车载AVB一致性测试套件进行测试验证，确保测试活动完全符合AVnu测试计划的要求。 以某非GM节点的gPTP协议一致性测试举例说明。 测试环境 End Station节点的测试环境如图7所示。 图 7 AVB 部件级 测试环境示意图 测试结果分析 部分测试用例的测试报告如图8所示。 图 8 End Station（非GM 节点 ）测试报告 对非GM节点进行测试时，需要Tester仿真GM节点发送同步报文，同时还需正确应答非GM节点发送的请求报文。从图8中可以看到此次测试执行中有25条失败条目，其中一半是在测试被测节点的PdelayReq状态机时失败，测试失败项包括wrong sequence ID in Pdelay Response、Lost and late Pdelay Response以及Invalid Pdelay Response等。通过数据分析及确认发现，由于此被测节点的异常处理记录功能存在未实现和实现有误的情况，因此导致对应的测试项失败。 AVnu AVB节点级性能测试和系统级测试 如图9所示，车内不同应用场景对延时有不同的要求。所以除上述的配置测试和一致性测试，还需对AVB节点进行性能测试，包括节点的时间稳定性等。 图 9 不同应用场景对时延的要求 对于系统级测试，时间和同步特性同样是测试的重点，包括系统的启动时间、时间同步、时间抖动和延迟等测试场景，这对测试通信硬件接口设备的性能指标（例如被测设备接入后所产生的额外时延等）提出非常高的要求。 我们采用德国TSN Systems公司的TSN Tools软件和TSN Box硬件，实现AVB数据的采集以及时延分析等功能。系统级测试连接示意图如图10所示。 点击下图10可了解如何通过TSN Systems系统平台构建IEEE1733协议的演示和验证系统。 图 10 AVB系统级测试接线示意图 小 结 当前AVB在汽车行业尚未广泛应用，一方面是从技术必要性的角度考虑，更大的障碍是开发难度的问题。随着基于域控（Domain）/区控（Zone）的网络架构和更高等级自动驾驶对通信的实时性、鲁棒性和安全性提出的更高需求，AVB的升级版TSN将逐渐成为趋势。笔者通过多份技术文档的相互佐证，深信某Global OEM基于新一 代E/E架构开发的车型（近期已上市），应用了AVB/TSN部分标准（比如gPTP等），对于AVB/TSN的应用和测试也是为未来进行技术和经验储备。 本文所使用的方案和工具链同步支持AVB/TSN部件、系统和实车级的测试需求，与君共勉，期待进一步交流和合作。